Les produits pharmaceutiques et de soin personnel en milieu marin : prédiction des concentrations environnementales et étude des effets sur le métabolisme endogène d’organismes exposés

The last twenty years, the issue of PPCP contamination of the marine environment caused a growing concern among scientific community. PPCP enter the environment mainly through wastewater treatment plants (WTP), not able to remove completely these substances. The first objective of the thesis was to assess the current state of knowledge on the PPCP occurrence in the different compartments of the marine environment (seawater, sediments and organisms) through a literature review. The contamination of the marine environment is generally assessed by “one-time” measures in situ. However, such monitoring campaigns are time-consuming and costly. Some approaches based on the determination of the predicted environmental concentrations (PEC) could be applied alternatively or complementarily to in situ measures. The PEC calculation is the first step of environmental risk assessment (ERA), to assess the exposure of non target organisms to these substances. However, this estimation needs to be refined to be accurate, by integrating site-specific information. The second aim of the thesis was to propose refined PEC calculation methodologies of pharmaceuticals and their metabolites in a coastal zone using an adapted hydrodynamic model. Two model compounds were chosen, carbamazepine and venlafaxine. In order to assess the environmental risk of pharmaceuticals, it is needful to assess their effects on organisms. Nowadays, few ecotoxicological data are available on marine organisms, contrary to freshwater organisms. Regulatory concept of ERA is often based on a set of short term standard tests carried out at high concentrations. Other tests, implemented at lower organizational levels, are more sensitive to low exposure levels and are more relevant for the marine risk assessment. The last objective was to study the effects of diclofenac on PG production, based on its mode of action, on marine mussels exposed.La question de la contamination du milieu marin par les produits pharmaceutiques et de soin personnel (PPCP) se pose depuis une vingtaine d’années seulement. La principale source de contamination de ces substances se révèle être les stations d’épuration (STP) rejetant directement ou non leurs effluents traités en mer, les traitements employés dans ces stations n’étant pas toujours efficaces pour éliminer ces substances. Le premier objectif de la thèse a été d’évaluer l’état des lieux de la contamination du milieu marin par les PPCP, par une étude approfondie de la littérature, et ce dans les différents compartiments du milieu marin, l’eau de mer, les sédiments et les organismes. La contamination du milieu marin est évaluée principalement par des mesures ponctuelles in situ des concentrations des molécules. Cependant, pour obtenir une vision globale de la répartition de ces contaminants, la multiplication des campagnes d’échantillonnage rend cette méthodologie coûteuse en temps et en matériel. Des approches basées sur la modélisation des concentrations environnementales dans le milieu, par la détermination de concentrations environnementales prévisibles (PEC), peuvent être utilisées en complément ou à la place des mesures in situ. Les PEC constituent la première étape de l’évaluation du risque environnemental (ERE) et permettent d’évaluer l’exposition des organismes non cibles à ces substances. Cependant, pour être précise, cette estimation des concentrations doit être affinée en tenant compte des caractéristiques propres au site étudié. Le deuxième objectif de la thèse a été de proposer une méthodologie de calcul des PEC affinée de molécules pharmaceutiques et de leurs métabolites en zone côtière à l’aide d’un modèle hydrodynamique adapté. Deux molécules modèles ont été choisies, la carbamazépine et la venlafaxine. Afin d’évaluer le risque posé par les molécules pharmaceutiques, il est nécessaire de connaître les effets de ces substances sur les organismes. Actuellement, peu de données sont disponibles sur les organismes marins, contrairement aux organismes d’eau douce. De plus, l’ERE est bien souvent basée sur les résultats de tests standardisés, étudiant les effets à l’échelle de l’individu à des concentrations plus élevées que dans l’environnement. D’autres tests, effectués à des niveaux d’organisation biologique plus bas, sont plus sensibles à des faibles concentrations d’exposition, et sont donc plus pertinents en milieu marin. Le dernier objectif de la thèse a été d’étudier les effets du diclofénac sur la production des prostaglandines, cibles du mécanisme d’action connu de cette molécule, chez des moules méditerranéennes exposées

Pharmaceutical and personal care products in the marine environment : prediction of the environmental concentrations and study of the effects on endogenous metabolism of exposed organisms

La question de la contamination du milieu marin par les produits pharmaceutiques et de soin personnel (PPCP) se pose depuis une vingtaine d’années seulement. La principale source de contamination de ces substances se révèle être les stations d’épuration (STP) rejetant directement ou non leurs effluents traités en mer, les traitements employés dans ces stations n’étant pas toujours efficaces pour éliminer ces substances. Le premier objectif de la thèse a été d’évaluer l’état des lieux de la contamination du milieu marin par les PPCP, par une étude approfondie de la littérature, et ce dans les différents compartiments du milieu marin, l’eau de mer, les sédiments et les organismes. La contamination du milieu marin est évaluée principalement par des mesures ponctuelles in situ des concentrations des molécules. Cependant, pour obtenir une vision globale de la répartition de ces contaminants, la multiplication des campagnes d’échantillonnage rend cette méthodologie coûteuse en temps et en matériel. Des approches basées sur la modélisation des concentrations environnementales dans le milieu, par la détermination de concentrations environnementales prévisibles (PEC), peuvent être utilisées en complément ou à la place des mesures in situ. Les PEC constituent la première étape de l’évaluation du risque environnemental (ERE) et permettent d’évaluer l’exposition des organismes non cibles à ces substances. Cependant, pour être précise, cette estimation des concentrations doit être affinée en tenant compte des caractéristiques propres au site étudié. Le deuxième objectif de la thèse a été de proposer une méthodologie de calcul des PEC affinée de molécules pharmaceutiques et de leurs métabolites en zone côtière à l’aide d’un modèle hydrodynamique adapté. Deux molécules modèles ont été choisies, la carbamazépine et la venlafaxine. Afin d’évaluer le risque posé par les molécules pharmaceutiques, il est nécessaire de connaître les effets de ces substances sur les organismes. Actuellement, peu de données sont disponibles sur les organismes marins, contrairement aux organismes d’eau douce. De plus, l’ERE est bien souvent basée sur les résultats de tests standardisés, étudiant les effets à l’échelle de l’individu à des concentrations plus élevées que dans l’environnement. D’autres tests, effectués à des niveaux d’organisation biologique plus bas, sont plus sensibles à des faibles concentrations d’exposition, et sont donc plus pertinents en milieu marin. Le dernier objectif de la thèse a été d’étudier les effets du diclofénac sur la production des prostaglandines, cibles du mécanisme d’action connu de cette molécule, chez des moules méditerranéennes exposées.The last twenty years, the issue of PPCP contamination of the marine environment caused a growing concern among scientific community. PPCP enter the environment mainly through wastewater treatment plants (WTP), not able to remove completely these substances. The first objective of the thesis was to assess the current state of knowledge on the PPCP occurrence in the different compartments of the marine environment (seawater, sediments and organisms) through a literature review. The contamination of the marine environment is generally assessed by “one-time” measures in situ. However, such monitoring campaigns are time-consuming and costly. Some approaches based on the determination of the predicted environmental concentrations (PEC) could be applied alternatively or complementarily to in situ measures. The PEC calculation is the first step of environmental risk assessment (ERA), to assess the exposure of non target organisms to these substances. However, this estimation needs to be refined to be accurate, by integrating site-specific information. The second aim of the thesis was to propose refined PEC calculation methodologies of pharmaceuticals and their metabolites in a coastal zone using an adapted hydrodynamic model. Two model compounds were chosen, carbamazepine and venlafaxine. In order to assess the environmental risk of pharmaceuticals, it is needful to assess their effects on organisms. Nowadays, few ecotoxicological data are available on marine organisms, contrary to freshwater organisms. Regulatory concept of ERA is often based on a set of short term standard tests carried out at high concentrations. Other tests, implemented at lower organizational levels, are more sensitive to low exposure levels and are more relevant for the marine risk assessment. The last objective was to study the effects of diclofenac on PG production, based on its mode of action, on marine mussels exposed

Metabolic profiling identification of metabolites formed in Mediterranean mussels ( Mytilus galloprovincialis ) after diclofenac exposure

International audienceDespite the growing concern on the presence of pharmaceutically active compounds in the environment, few studies have been conducted on their metabolism in marine organisms. In this study, a non-targeted strategy based on the generation of chemical profiles generated by liquid chromatography combined with high resolution mass spectrometry was used to highlight metabolite production by the Mediterranean mussel (Mytilus galloprovincialis) after diclofenac exposure. This method allowed revealing the production of 13 metabolites in mussel tissues. Three of them were phase I metabolites, including 4′-hydroxy-diclofenac and 5-hydroxy-diclofenac. The remaining 10 were phase II metabolites, including sulfate and amino acids conjugates. Among all of the metabolites highlighted, 5 were reported for the first time in an aquatic organism exposed to diclofenac

Occurrence of PPCPs in the marine environment: a review

International audienceLittle research has been conducted on the occurrence of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in the marine environment despite being increasingly impacted by these contaminants. This article reviews data on the occurrence of PPCPs in seawater, sediment, and organisms in the marine environment. Data pertaining to 196 pharmaceuticals and 37 personal care products reported from more than 50 marine sites are analyzed while taking sampling strategies and analytical methods into account. Particular attention is focused on the most frequently detected substances at highest concentrations. A snapshot of the most impacted marine sites is provided by comparing the highest concentrations reported for quantified substances. The present review reveals that: (i) PPCPs are widespread in seawater, particularly at sites impacted by anthropogenic activities, and (ii) the most frequently investigated and detected molecules in seawater and sediments are antibiotics, such as erythromycin. Moreover, this review points out other PPCPs of concern, such as ultraviolet filters, and underlines the scarcity of data on those substances despite recent evidence on their occurrence in marine organisms. The exposure of marine organisms in regard to these insufficient data is discussed

Exposition de moules marines au diclofénac: bioconcentration, métabolisation et mécanisme d’action

International audienceLes produits pharmaceutiques humains, tels que les anti-inflammatoires non stéroïdiens, constituent une menace émergente pour les organismes du milieu marin. Leur bioaccumulation dans les organismes ainsi que leurs effets possibles sont préoccupants comme le montre l’inclusion du diclofénac dans la première liste de vigilance de l’Union Européenne (DCE, 2015). Chez l’homme, le diclofénac est conçu pour inhiber deux isoformes de l'enzyme cyclo-oxygénase (COX-1 et COX-2), qui catalysent la synthèse des différentes prostaglandines à partir de l'acide arachidonique. Les objectifs de cette étude étaient ainsi de déterminer: i) si le diclofénac s’accumule dans les organismes aquatiques (et ici plus particulièrement la moule méditerranéenne), ii) s’il est métabolisé par cet organisme et iii) si son mécanisme d’action chez cette espèce non-cible s’apparente à celui connu chez l’homme. Pour répondre à ces objectifs, l’organisme modèle (Mytilus galloprovincialis) a été exposé en laboratoire pendant 72 h à deux concentrations de diclofénac (1 et 100 µg/L). Une méthode sensible et spécifique basée sur le couplage chromatographie liquide, spectrométrie de masse haute résolution a été développée en vue de i) quantifier l’accumulation du diclofénac chez notre organisme modèle ainsi qu’identifier et quantifier les métabolites formés chez cet organisme et ii) mesurer les prostaglandines PGF2a, PGE2 et PGD2 circulant chez la moule méditerranéenne en vue d’étudier leur modulation suite à l’exposition au diclofénac . Les concentrations en diclofénac mesurées dans l’eau et dans les tissus ont permis de déterminer un facteur de bioconcentration faible, de 27 L/kg, compatible avec la métabolisation du diclofénac dans les organismes, hypothèse soutenue par la détection de métabolites hydroxylés et de métabolites de phase II dans les tissus des organismes exposés. Concernant les prostaglandines, la PGD2 n’a jamais été détectée. Si les concentrations en PGF2a sont apparues non impactées par une exposition au diclofénac , une tendance à la sous-expression de la PGE2 chez les organismes exposés à ce composé (1 µg/L) comparés aux individus non exposés a quant à elle été mise en évidence, tendance confirmée et statistiquement significative chez les individus exposés à la plus forte concentration (100 µg/L)

Exposition de moules au diclofénac : recherche des métabolites par analyse non ciblée chez Mytilus galloprovincialis

International audienceLes produits pharmaceutiques sont des contaminants émergents pouvant présenter des risques pour lesorganismes du milieu aquatique. En effet, ces composés synthétisés pour avoir une activité biologique chezl’Homme, passent la barrière des stations d’épuration et sont rejetés dans les milieux aquatiques. Les milieuxmarins sont également touchés en raison du développement d’émissaires en mer (rejets direct en mer desstations d’épuration) et des apports des bassins versants via les fleuves et rivières côtiers. Les moules, desorganismes couramment rencontrées dans des zones côtières, sont concernées par une exposition auxproduits pharmaceutiques. La Directive Cadre sur l’Eau (2013/39/EC) a récemment inclus dans sa liste devigilance des produits pharmaceutiques, dont le diclofénac (DCF). Des effets du diclofénac tels que lamodulation des prostaglandines (Courant et al, submitted) ou encore une fragilisation et une diminution de laquantité de byssus (Ericson et al, 2010) ont été renseignés pour des expositions à concentrationsenvironnementale. A notre connaissance, aucune information n’est disponible concernant la métabolisationde ce produit pharmaceutique chez les bivalves. L’objectif de notre étude est donc de déterminer, lors d’uneexposition en conditions contrôlées, les métabolites du DCF produits par la moule Mytilus galloprovinciallis etde quantifier ceux pour lesquels des standards analytiques sont disponibles. Pour cela, une approche nonciblée a été développée afin de mettre en évidence l’ensemble des métabolites du DCF produits par la moule.Puis, une méthode analytique ciblée a été développée pour quantifier les métabolites mis en évidence.Deux groupes de 18 moules ont été constitués : un groupe contrôle et un groupe exposé durant 7 jours à650 μg/L de DCF. Les analyses effectuées par la méthode non-ciblée ont été réalisées par chromatographieliquide couplée à un spectromètre de masse haute résolution (LC/HRMS), en ionisation négative et positive.Un traitement par XCMS a été effectué, puis seuls les signaux avec un foldchange supérieur à 2 et d’uneintensité proche du bruit de fond dans les contrôles ont été conservés. Une méthode ciblée utilisant laLC/HRMS a été développée pour quantifier le DCF, le 4’-hydroxy diclofenac (4’OH-DCF) et le 5-hydroxydiclofénac (5OH-DCF) dans les tissus de moules et dans l’eau de mer d’exposition.Différents métabolites du DCF ont été annotés : deux de ses quatre métabolites hydroxylés connus (le4’OH-DCF et le 5OH-DCF), le conjugué sulfate d’un de ses métabolites hydroxylés, un métabolite hydroxylélactame déhydrate et le conjugué taurine du DCF. Un travail d’élucidation structurale est en cours sur d’autressignaux probablement reliés au DCF. Par ailleurs, les deux métabolites hydroxylés du DCF ont pu êtreidentifiés formellement grâce à l’injection de standards analytiques dans les mêmes conditions d’analyse.La quantification du DCF, du 4’OH-DCF et du 5-OH-DCF a permis de mettre en évidence que le DCF estmétabolisé et excrété par la moule en moins de 24h et que le 4’OH-DCF est majoritaire par rapport au 5OHDCF. Ces résultats sont un premier pas dans la caractérisation de l’exposition aux produits pharmaceutiqueschez M. galloprovinciallis

Pharmaceuticals in the marine environment: What are the present challenges in their monitoring?

International audienceDuring the last years, there has been a growing interest in the research focused on the pharmaceutical residues in the environment. Those compounds have been recognized as a possible threat to aquatic ecosystems, due to their inherent biological activity and their “pseudo-persistence”. Their presence has been relatively few investigated in the marine environment, though it is the last receiver of the continental contamination. Thus, pharmaceuticals monitoring data in marine waters are necessary to assess water quality and to allow enhancing future regulations and management decisions. A review of the current practices and challenges in monitoring strategies of pharmaceuticals in marine matrices (water, sediment and biota) is provided through the analysis of the available recent scientific literature. Key points are highlighted for the different steps of marine waters monitoring as features to consider for the targeted substance selection, the choice of the marine site configuration and sampling strategies to determine spatio-temporal trends of the contamination. Some marine environment specific features, such as the strong dilution occurring, the complex hydrodynamic and local logistical constraints are making this monitoring a very difficult and demanding task. Thus key knowledge gap priorities for future research are identified and discussed. Suitable passive samplers to monitor pharmaceutical seawater levels need further development and harmonization. Non-target analysis approaches would be promising to understand the fate of the targeted molecules and to enhance the list of substances to analyze. The implementation of integrated monitoring through long-term ecotoxicological tests on sensitive marine species at environmental levels would permit to better assess the ecological risk of these compounds for the marine ecosystems

Exploring responses of marine mussel to the anti-inflammatory drug diclofenac.

International audienc

Etude de l’occurrence de molécules pharmaceutiques et de leurs métabolites dans des zones côtières méditerranéennes.

International audienc

Non-steroidal anti-inflammatory drug diclofenac disturbs the prostaglandin system in the marine mussel Mytilus galloprovincialis

International audienceHuman pharmaceuticals, such as nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs),are an emerging environmental threat to marine organisms. Bioaccumulation inaquatic organisms along with possible ecotoxicological effects may then be ofconcern, as shown by the inclusion of diclofenac (DCF) in the first watch list bythe EU Water Framework Directive. It is possible to hypothesize that thesecompounds will be pharmacologically active in organisms in which the drugtargets are expressed and functional. In humans, NSAIDs act through inhibition ofcyclooxygenase (COX) conversion of arachidonic acid into prostaglandins. PGsare conserved lipid signaling molecules that mediate a wide array of biologicalfunctions [1]. There have been many reports of PG biosynthesis in a broad rangeof invertebrates, including bivalves [2]. Therefore, modulation of PG productionin marine bivalves following exposure to DCF is worth questioning. The objectiveof this study was thus to investigate whether diclofenac (DCF) affects PG levels inmarine mussels Mytilus galloprovincialis. An experiment was carried out wherebymarine mussels were exposed to DCF for 48 h to 1 and 100 µg/L DCF. A specificand sensitive analytical method using liquid chromatography tandem massspectrometry was developed to quantify DCF accumulation in marine musseltissues. The developed method could also clearly identify and quantifyprostaglandins PGE2, PGD2 and PGF2α levels in mussel tissue and be used toassess their modulation following DCF exposure. Measured concentrations ofDCF in water were relatively close to the nominal concentrations for all exposedaquaria. A low bioconcentration was calculated at 26.4 L/kg. The weakbioaccumulation of DCF observed is consistent with its possiblebiotransformation in the organisms, supported by the detection ofhydroxy-diclofenac metabolites in exposed organisms and water. Basal PGE2concentrations ranged from under the limit of detection (LoD) to 202 µg/kg dw.PGD2 was always found below the LoD. A downward trend in the PGE2concentration was observed between non-exposed mussels and those exposed to1 µg/L DCF, whereas this decrease was confirmed and statistically significant forexposure to 100 µg/L. PGF2a globally ranged from 90 to 518 µg/kg dw. Nodifference was observed for PGF2α levels between controls and exposedorganisms